目前所采用的稀土硅铁合金生产工艺,即富稀土中贫铁矿经高炉脱铁后的稀土富渣、稀土精矿脱铁渣或稀土精加石灰、硅铁矿石奄弧炉中冶炼合金,这是结合我国稀土资源特点开发的工艺流程。工艺比较稳定成熟,生产能力和产量高,成本低,与国外相比,具有独创性。
该工艺虽经多年的不断改革完善,但至今尚处于发展阶段,潜力很大。现存的主要问题是工艺冗长、工艺环节复杂,能耗大,总能耗为每吨12000~1400kW·h,使合金成为高能耗产品,并且,稀土的回收率低,工业生产通常仅在65%左右。
多年来,国内许多研究单位为简化工艺环节、提高回收率、降低成本、改善技术经济指标等,进行了不断地探索和开拓。这些探索性的工作主要表现在根据不同用途改变稀土原料结构、还原剂选择和工艺操作等诸方面。
(1) 选用精料
随着我国稀土合金工业的发展,稀土原料经历了炼铁高炉渣(REO4%~6%),中贫矿稀土富渣(REO10%~17%)和稀土精矿(REO>30%)的变革,原料由粗到精,扩大了产量,节省了能源,减轻了环境污染,推动了我国稀土中间合金的发展,但稀土精矿价高,影响了合金成本。
近年来,我国开发出利用白云鄂博或山东微山湖低品位稀土精矿(REO>30%)直接冶炼稀土硅铁合金的生产新工艺成功。精矿可不经造块、脱铁直接入炉,冶炼稀土品位大于30%的稀土硅铁合金,稀土回收率达75%。冶炼含21%~27%的稀土合金,稀土回收率达80%。每吨电耗3000kW·h以下。与现行工艺相比,节省电耗30%。可直接采用湿法冶金不宜使用的低品位稀土精矿生产稀土中间金属。稀土精矿和白灰分批均布炉膛,送电升温,炉料全熔后升温至1350℃,停电强化还原,再升温再次强化还原。当稀土合金中稀土合金含量接近31.5%,炉温达1400℃左右即可出炉。熔体注入铁渣分离系统,静置数分钟,将合金注入锭模,炉渣则水淬回收综合利用。
此工艺不仅成本低,末渣综合利用后,环境污染也减少。
(2)提高还原剂的还原能力
当前工业生产中所使用的还原剂由硅、硅钙、铝和碳化钙等,从经济的角度考虑主要使用硅铁,以75硅铁为主。如何提高硅的利用率,减少氧化烧损至关重要。从冶炼过程中硅含量的变化发现,还原过程中合金硅含量下降的数量接近于合金中稀土增加的数量。也就是说在正常冶炼情况下,稀土与硅的置换当量为1左右,与化学反应式中计算的数据相差很大。
这一点可用如下的分析来说明。
在稀土中间合金冶炼过程中,硅的作用主要是:①合金中稀土、钙、镁、锰、钛和铝等元素的还原;②与各元素形成稳定的硅化物,如RESi、CaSi、MnSi、TiSi2、MgSi、FeSi等;③氧化、烧损挥发的硅量。在冶金过程中只有“自由硅”方能参加还原反应,影响着冶金过程稀土元素的收率和合金中稀土品位。Fe-Si系在固态下是以FeSi、Fe2Si5等化合物构成,由于铁和硅间的强烈相互作用,硅的活度明显地表现出负偏差。
为了说是脱离实际个问题,可进行以下粗略的计算。
设某一稀土硅铁合金的成分为:RE 30%、Ca 3%、Mn 3%、Ti 0.5%、Mg 0.1%、Al 1%、Fe 23%、和Si 40%。制取上述成分合金1t,需加入75硅铁0.8t,可以计算出还原上述元素(除了硅和硅铁中含的铁外)所耗用的硅量和这些元素形成相应的硅化物所需要的硅量,这两项为合理消耗。根据硅铁的加入量和合金中实际含硅,可以分计算出剩余自由硅的数量和氧化物烧损硅量。计算表明,氧化烧抽约占总硅量的21%左右,这部分硅的消耗应尽量减少。以前大量冶炼中采用的压缩空气搅拌是硅大量烧损的主要原因。新近开发的强化冶炼技术,改用压缩氮气搅拌,明显降低了硅的氧化损失,稀土收率比原工艺提高10%左右。